腦—機(jī)接口：開啟人機(jī)共融之路

明東

腦-機(jī)接口的未來使命是突破人機(jī)之間界限、實(shí)現(xiàn)人機(jī)融合，腦-機(jī)聯(lián)網(wǎng)、腦-腦聯(lián)網(wǎng)將如現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)一樣普及，并徹底顛覆人機(jī)關(guān)系和人類生活方式。

一、什么是腦-機(jī)接口

2016年10月21日，由中國(guó)自主研發(fā)的在軌腦-機(jī)交互系統(tǒng)在天宮二號(hào)上成功實(shí)現(xiàn)了人類首次太空腦-機(jī)交互實(shí)驗(yàn)。人-智能機(jī)器人聯(lián)合探測(cè)將是未來航天發(fā)展的趨勢(shì)，該系統(tǒng)的建立和成功測(cè)試為未來深入開展先進(jìn)交互技術(shù)在軌適應(yīng)性研究和技術(shù)應(yīng)用起到了重要推動(dòng)作用。此舉不僅為世界航天史譜寫了新的篇章，也讓黑科技“腦-機(jī)接口”技術(shù)開始走入百姓視野，引起了社會(huì)的廣泛興趣。

BCI是通過檢測(cè)大腦神經(jīng)中樞思維活動(dòng)、識(shí)別其對(duì)外信息交流或工作意圖，并將其轉(zhuǎn)化輸出為操控外部設(shè)備指令，以實(shí)現(xiàn)無(wú)需依賴常規(guī)五官肢體神經(jīng)肌肉活動(dòng)即可與外界進(jìn)行人-機(jī)信息交互和機(jī)械操控執(zhí)行任務(wù)的新興技術(shù)。它不僅能夠替代、修復(fù)、增強(qiáng)、補(bǔ)充或改善中樞神經(jīng)系統(tǒng)的通常輸出功能（如肢體運(yùn)動(dòng)康復(fù)），而且可實(shí)現(xiàn)某些常人無(wú)法執(zhí)行的工作任務(wù)，改變大腦與內(nèi)外環(huán)境之間的交互作用。BCI用以讀取大腦思維信息的常用方法是佩戴于頭皮表面的腦電（極）帽以采集大腦思維時(shí)中樞神經(jīng)細(xì)胞的微弱電活動(dòng)信號(hào)，通過放大、分析、解碼等腦電信息處理技術(shù)環(huán)節(jié)識(shí)別出大腦工作意圖或人的狀態(tài)信息，并將其轉(zhuǎn)化為與外界系統(tǒng)交互的工作指令或作為人機(jī)交互的反饋調(diào)控指標(biāo)?；谀X電解碼轉(zhuǎn)化的指令可用以直接控制輪椅、假肢、機(jī)械手、無(wú)人機(jī)、拼寫器等實(shí)現(xiàn)大腦思維對(duì)外信息交流或工作意圖，而腦電解碼的人體狀態(tài)信息則可助人-機(jī)更好地信息交互，并讓外部智能設(shè)備實(shí)時(shí)理解人的疲勞、情緒等身心精神狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)更人性化、高效益、高功能的人工智能。

二、腦-機(jī)接口種類

根據(jù)BCI使用目的、實(shí)現(xiàn)方式可將現(xiàn)有主要的BCI分為主動(dòng)式（active BCI）、反應(yīng)式（reactive BCI）和被動(dòng)式（passive BCI）三類。

主動(dòng)式BCI是直接解碼大腦思維工作意圖的人-機(jī)信息交互技術(shù)。其最典型的實(shí)現(xiàn)方式是通過想象身體某部位運(yùn)動(dòng)（如想象左、右手、腿或舌動(dòng)）誘發(fā)大腦皮層相應(yīng)運(yùn)動(dòng)功能區(qū)神經(jīng)細(xì)胞電活動(dòng)產(chǎn)生不同模式的腦電信號(hào)，通過信息檢測(cè)、處理技術(shù)識(shí)別出大腦的不同想象動(dòng)作意圖，并將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的輸出工作指令以控制外部機(jī)電設(shè)備、實(shí)現(xiàn)預(yù)期運(yùn)動(dòng)功能，可用于康復(fù)訓(xùn)練、智能假肢和機(jī)械外骨骼控制等場(chǎng)合。細(xì)心讀者可能對(duì)2014年巴西足球世界杯開幕式上一名穿戴著機(jī)械外骨骼的癱瘓少年為世界杯開球的異樣風(fēng)采仍有深刻印象，其機(jī)械外骨骼即采用主動(dòng)式BCI技術(shù)。國(guó)內(nèi)團(tuán)隊(duì)所研發(fā)用于腦中風(fēng)病人康復(fù)訓(xùn)練的“神工一號(hào)”系統(tǒng)也屬主動(dòng)式BCI。目前實(shí)踐已證明主動(dòng)式BCI技術(shù)不僅能直觀有效地控制外部工作設(shè)備，還可用于神經(jīng)系統(tǒng)受損病人的運(yùn)動(dòng)功能康復(fù)訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的交互康復(fù)和重新塑造，取得遠(yuǎn)勝于傳統(tǒng)單純肢體被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練的療效。

反應(yīng)式BCI則以特定方式刺激人的感覺（視覺、聽覺、觸覺等）通道迫使大腦皮層產(chǎn)生響應(yīng)或引起注意，通過檢測(cè)、分析與識(shí)別不同模式刺激響應(yīng)的腦電信號(hào)特征可獲得大腦對(duì)刺激的關(guān)注用意，并將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的輸出指令以控制外部設(shè)備、實(shí)現(xiàn)關(guān)注所預(yù)期的工作功能（如字符拼寫、鼠標(biāo)操作等），即構(gòu)成腦-機(jī)交互接口。顯然，反應(yīng)式BCI是解碼腦電信號(hào)間接讀取大腦的工作意圖（區(qū)別于主動(dòng)式BCI解碼腦電直接讀取大腦意圖）。研究開發(fā)最早、目前應(yīng)用最廣的反應(yīng)式BCI當(dāng)屬基于視覺誘發(fā)電位的腦-機(jī)接口（視覺BCI），其中刺激事件相關(guān)腦電信號(hào)中尤以伴隨小概率刺激出現(xiàn)的P300電位成分引人注目。事件相關(guān)電位的P300成分是約在小概率目標(biāo)刺激之后延時(shí)300毫秒的正向幅值腦電（可由置于頭頂中央的電極檢出）。通過檢測(cè)P300電位就可以及時(shí)準(zhǔn)確地判定大腦的關(guān)注意圖，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為控制指令?；赑300的字符拼寫器即是反應(yīng)式BCI最典型的應(yīng)用之一。

另外，當(dāng)以某種模式調(diào)制目標(biāo)發(fā)光信號(hào)，則會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)于該模式的視覺誘發(fā)腦電，通過檢測(cè)識(shí)別與目標(biāo)視覺刺激事件相關(guān)電位信號(hào)中的編碼模式，即可以知道大腦所選目標(biāo)事件。例如，當(dāng)以單一頻率調(diào)制目標(biāo)發(fā)光強(qiáng)度時(shí)，視覺刺激所產(chǎn)生的目標(biāo)事件相關(guān)電位信號(hào)中即含有該頻率調(diào)制特征（稱穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位）。類似地以預(yù)定頻率編碼模式調(diào)制目標(biāo)發(fā)光信號(hào)，則會(huì)產(chǎn)生具有該頻率編碼特征的視覺誘發(fā)腦電，檢測(cè)識(shí)別腦電信號(hào)中的頻率編碼模式即可很快確定大腦的工作目標(biāo)意圖。近幾年，基于視覺頻率編碼的BCI因其運(yùn)行速度快、準(zhǔn)確率高而得到快速發(fā)展。反應(yīng)式BCI除字符拼寫器應(yīng)用最多外，在機(jī)械臂、無(wú)人機(jī)控制等諸多場(chǎng)合都有很好的應(yīng)用。

被動(dòng)式BCI通過檢測(cè)分析腦電解讀人的情緒、疲勞、腦力負(fù)荷等心理生理狀態(tài)，以便在人與智能系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)更友好、更舒適、更安全的人-機(jī)交互，既讓外部設(shè)備更好地實(shí)時(shí)適應(yīng)操控人的身心精神狀態(tài)，又可使之更人性化地高效益施展其人工智能。目前被動(dòng)式BCI已不限于從腦電解讀人體信息，還借助于腦血氧、心電、皮膚電阻抗等與人的心理生理狀態(tài)密切相關(guān)信號(hào)數(shù)據(jù)挖掘人體身心精神狀態(tài)信息。如此，腦-機(jī)接口（BCI）概念已拓展至人-機(jī)接口（human-computer interface，HCI）。被動(dòng)式BCI的典型應(yīng)用是在人操控機(jī)器（如駕駛飛機(jī)、汽車）的工作過程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人的工作疲勞、腦力負(fù)荷等狀態(tài)，通過解碼人體狀態(tài)信息實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)工作任務(wù)分配、調(diào)整或提供疲勞與超負(fù)荷預(yù)警以保證工作安全、高效。這種以人為本的人與機(jī)器之間友好信息交互又稱為自適應(yīng)自動(dòng)化（adaptive automation）技術(shù)，能夠有效地提高人-機(jī)交互的友好程度、安全性和工作效率。類似的有自適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)，在學(xué)習(xí)過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)學(xué)生的腦力負(fù)荷、注意力等身心精神狀態(tài)，并據(jù)此對(duì)學(xué)習(xí)過程提供優(yōu)化指導(dǎo)建議，在學(xué)生與學(xué)習(xí)任務(wù)之間建立友好交互界面，讓學(xué)習(xí)更高效、更舒適。

三、腦-機(jī)接口應(yīng)用

早期BCI應(yīng)用主要面向殘疾人群，用于替代或輔助殘缺或癱瘓肢體的運(yùn)動(dòng)功能，幫助他（她）們恢復(fù)生活能力。但近年來，BCI以極快速度拓展其應(yīng)用領(lǐng)域，已在眾多領(lǐng)域顯示出廣闊應(yīng)用前景。尤其在軍事、航天等特殊環(huán)境場(chǎng)合，BCI能夠發(fā)揮其不可替代的優(yōu)勢(shì)作用，這也是美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）等軍事研究機(jī)構(gòu)大力支持發(fā)展BCI技術(shù)的重要原因。

（一）軍事應(yīng)用

BCI用于軍事領(lǐng)域主要有軍事通訊、情報(bào)搜集與分析、武器裝備操控、軍事人員的心理生理監(jiān)測(cè)等。

（二）民用領(lǐng)域

以上BCI在軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用均可借鑒移植于類似的工業(yè)生產(chǎn)或日常生活中。民用領(lǐng)域的BCI技術(shù)應(yīng)用可以概括為兩大塊，分別是助殘等醫(yī)療產(chǎn)業(yè)和家居與娛樂產(chǎn)業(yè)。

在醫(yī)療產(chǎn)業(yè)，BCI在腦外傷、肢體殘疾、神經(jīng)系統(tǒng)疾病等患者的康復(fù)和功能重建中已經(jīng)發(fā)揮著重要作用，相關(guān)技術(shù)近年來已成為腦系科或神經(jīng)內(nèi)科臨床研究的熱門。主要包括基于BCI技術(shù)實(shí)現(xiàn)腦外傷或腦疾病后的腦功能康復(fù)、截癱患者的腦-體運(yùn)動(dòng)功能重建、截肢患者的腦控智能假肢及腦控拼寫器等人機(jī)交互。其巨大社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益預(yù)示著誘人的應(yīng)用前景。

近年來，BCI技術(shù)在娛樂產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用已經(jīng)在快速成長(zhǎng)，包括腦控電子競(jìng)技、腦控智能玩具、趣味性思維訓(xùn)練游戲等。在智能家居方面，近年來已經(jīng)越來越多的研究開始嘗試腦控家用電氣設(shè)備。未來，隨著BCI技術(shù)的日漸成熟，將BCI技術(shù)植入到人們?nèi)粘ｋS身攜帶的智能手機(jī)、可穿戴設(shè)備內(nèi)是必然發(fā)展趨勢(shì)。彼時(shí)，BCI技術(shù)或?qū)⑷缤F(xiàn)在手機(jī)一樣成為我們?nèi)粘Ｉ畋夭豢缮俚碾S身工具。

四、腦-機(jī)接口的未來：從人機(jī)交互到人機(jī)融合

前文所介紹BCI種類僅是目前研究較多的典型BCI技術(shù)，從近年發(fā)展趨勢(shì)來看，未來BCI的概念將會(huì)進(jìn)一步拓展。現(xiàn)有的主要BCI都以控制外部設(shè)備為目的，未來的BCI技術(shù)將不限于控制外設(shè)，而要更多地架設(shè)人與外部設(shè)備之間相互信息交流的橋梁，將不限于“讀取”人腦思維活動(dòng)，還將嘗試向大腦“寫入”信息，即包含“讀取”與“寫入”大腦信息的雙向BCI技術(shù)將是未來發(fā)展的必然方向。

從技術(shù)層面看，現(xiàn)有主流BCI均是通過調(diào)制與解調(diào)方式來實(shí)現(xiàn)大腦意圖解碼，并且都需人投入高度注意力和接受高強(qiáng)度感官刺激才能保證其腦-機(jī)交互可靠性好、信息傳輸速度快。未來將逐漸弱化刺激強(qiáng)度和注意力要求，即盡可能少依賴調(diào)制與解調(diào)方式來實(shí)現(xiàn)大腦意圖解碼，如此可減輕大腦在腦-機(jī)交互時(shí)的思維負(fù)擔(dān)，使其回歸自然思維狀態(tài)。實(shí)現(xiàn)無(wú)需調(diào)制的自然思維狀態(tài)下解碼大腦意圖將是未來BCI的解碼技術(shù)發(fā)展終極目標(biāo)。近幾年雖陸續(xù)出現(xiàn)了一些對(duì)人腦“寫入”信息的研究報(bào)告，但仍然采用了類似傳統(tǒng)BCI中使用的調(diào)制手段。未來要實(shí)現(xiàn)自然思維狀態(tài)下“讀”、“寫”腦的雙向BCI技術(shù)還需有很長(zhǎng)的研究開發(fā)路程，依賴于人們對(duì)大腦的認(rèn)識(shí)水平和所掌握的腦信息采集與處理技術(shù)水平的發(fā)展。

從長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展看，人工智能技術(shù)將在BCI發(fā)展中發(fā)揮重要作用。一方面，快速發(fā)展的人工智能技術(shù)離不開腦科學(xué)知識(shí)的深化理解，將有助于我們認(rèn)識(shí)大腦；同時(shí)，基于人工智能的信息解碼技術(shù)將可能突破現(xiàn)有BCI技術(shù)面臨的一些瓶頸問題，從而大大推進(jìn)其發(fā)展。另一方面，未來BCI技術(shù)將扮演人腦智能與人工智能之間的橋梁角色。人工智能代表了人造物的最高智能水平，以計(jì)算機(jī)為載體的人工智能和以人的大腦為載體的人腦智能各自表現(xiàn)出了很多可以互相彌補(bǔ)對(duì)方缺陷的優(yōu)勢(shì)，如人工智能的快速、高精度計(jì)算能力和大規(guī)模、快速、準(zhǔn)確的記憶與檢索能力，人腦智能的模糊決策能力、糾錯(cuò)能力和快速學(xué)習(xí)能力，二者融合實(shí)現(xiàn)更高等級(jí)的智能將是未來發(fā)展的必然方向。

回到當(dāng)今，BCI技術(shù)目前仍面臨一系列技術(shù)瓶頸，距離設(shè)想的未來目標(biāo)仍然很遙遠(yuǎn)，其根本原因在于我們對(duì)大腦的認(rèn)識(shí)仍然十分有限。隨著世界主要大國(guó)腦計(jì)劃的陸續(xù)開展，人類對(duì)大腦這一復(fù)雜器官的結(jié)構(gòu)和功能的認(rèn)識(shí)逐漸清晰，BCI作為腦計(jì)劃研究和應(yīng)用的重要出口，未來將必然向著縱深發(fā)展，所面臨的問題也終將逐一突破。

總之，腦-機(jī)接口的未來使命是突破人機(jī)之間界限、實(shí)現(xiàn)人機(jī)融合，腦-機(jī)聯(lián)網(wǎng)、腦-腦聯(lián)網(wǎng)將如現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)一樣普及，并徹底顛覆人機(jī)關(guān)系和人類生活方式。

（作者為天津大學(xué)醫(yī)學(xué)工程與轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究院院長(zhǎng)）